|
электронной ор-
биталъю.
Чтобы ее изобразить, можно постро-
ить изолинии плотности вероятности, за преде-
лами которой доля заряда мала (скажем, менее
10%), — это и есть граничная поверхность орби-
тали.
Понятие волновой функции
φ
пространствен-
ного расположения электронов требует определе-
ния для каждого электрона в атоме четырех кван-
товых чисел:
1. Первое из них является главным квантовым
числом, определяющим в атомной модели Бора
разрешенные орбитальные зоны, или
квантовые
оболочки.
Они обозначаются буквами К, L, M, N,
О, P, Q последовательно начиная от ядра, и им со-
ответствуют главные квантовые числа от 1 до 7.
2. Тщательное изучение атомных спектров по-
казало, что в пределах квантовых оболочек элек-
троны занимают второстепенные группы орбита-
лей, которые классифицируются как типы
s, p. d
и
f
. Таким образом, электрон обозначается его глав-
ным квантовым числом и второстепенным буквен-
ным символом — орбитальным квантовым числом,
характеризующим энергетический уровень элек-
трона. Количество второстепенных орбитальных
групп в какой-либо оболочке ограничено, и поэто-
му имеются следующие возможности их заполне-
ния:
Главная
квантовая
оболочка
Символ
электрона
K
(1)
1s
L
(2)
2s
1p
M
(3)
3s
3p
3d
N
(4)
4s
4p
4d
4f
O
(5)
5s
5p
5d
5f
P
(6)
6s
6p
7d
Q
(7)
7s
3. Орбитальные группы
р, d
и
f
подразделя-
ются на индивидуальные орбитали относитель-
но плоскости, в которой перемещается электрон.
Данное обстоятелство вынуждает ввести поня-
тие
магнитного квантового числа.
В общем слу-
чае энергии электронов на различных подуров-
нях обычно одинаковы, но когда атом находится
в сильном магнитном поле, электроны начинают
проявлять различие в энергиях, приводящее к рас-
щеплению спектральных линий.
4. Наконец, еще одной характеристикой элек-
трона является наличие у него спина, который мо-
жет быть положительным или отрицательным, и
поэтому электрону присваивается
спиновое кван-
товое число
+1/2 или -1/2.
На рис. 1.1 представлена карта электронной
плотности, полученная в результате измерения
интенсивностей дифрагированных кристаллом
рентгеновских лучей, рассеяние которых опре-
деляется в основном распределением электронов
внутри кристалла. Рисунок 1.2 иллюстрирует рас-
пределение электронов в щелочных металлах в ра-
диальном направлении от ядра и пространствен-
ное расположение электронов на главных кванто-
вых оболочках. Обращает на себя внимание то,
что более тяжелые атомы являются более круп-
ными. Однако по мере увеличения заряда ядра
внутренние оболочки сдвигаются в сторону ядра.
На рис. 1.3 показаны «граничные поверхности»
различных орбитальных типов: орбиталь s, кото-
рая является сферически-симметричной; три ор-
битали
p
направленного характера,что облегчает
группе
p
подразделение на
р
х
, р
у
и
р
z
,
и орби-
Рис. 1.1 Изолинии электронной плотности структуры NaCl. Видно, что большинство
электронов концентрируется вокруг ионных центров, а не в межионном пространстве.
(По
H. Witte and E. Wolfel,
Z Phys Chem , NF, 3: 296-329, 1955 )
таль
d
, также имеющую направленный характер
и проиллюстрированную только одним примером.
В общем имеется пять различных ориентации для
орбиталей
d
и семь для орбиталей
f
(последние на
рис 1.3 не показаны).
Главное квантовое число, т.е. оболочка, в ко-
торой находится электрон, в основном определяет
его энергию. Более удаленные оболочки обладают
более высокой, чем внутренние, связанной с ними
энергией, и, как уже упоминалось, именно пере-
ход электронов с внешней оболочки на внутрен-
нюю приводит к испусканию света или рентгенов-
ских лучей. Внешние оболочки менее устойчивы,
чем внутренние, и это обстоятельство ограничива-
ет рост все более и более тяжелых элементов.
В пределах любой квантовой оболочки орбита-
ли обладают энергиями, располагающимися в сле-
дующем порядке:
s <
ρ < d,
но орбиталь
s
од-
ной оболочки может иметь в грубом приближе-
нии такую же энергию, как орбиталь
d
следующей
по направлению к ядру оболочки. Обычный поря-
док энергетических уровней выглядит следующим
образом:
1s < 2s < 2р < 3s < Зр < 4s ~ 3d < 4р <
5s
~ 4d < 5р < 4f
.
Электроны, находящиеся на одной и той же
орбитали, но имеющие противоположные спины,
обладают одинаковой энергией. Это также спра-
ведливо для орбиталей, расположенных внутри
одной подоболочки, но такие орбитали имеют раз-
личную ориентацию: три эквивалентных ориента-
Do'stlaringiz bilan baham: |
